一种基于自由曲面棱镜的一体式微型光谱仪光学系统
阅读说明：本技术 一种基于自由曲面棱镜的一体式微型光谱仪光学系统 (Integrated micro spectrometer optical system based on free-form surface prism ) 是由 王占山 余俊 沈正祥 王旭 于 2020-06-27 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于自由曲面棱镜的一体式微型光谱仪光学系统,包括入射狭缝(1)、自由曲面棱镜(2)和像面(3),所述的自由曲面棱镜(2)包括入瞳平面(201)、准直区域(202)、聚焦区域(204)和出射面(205),所述的准直区域(202)和聚焦区域(204)上设有反射镜,所述的自由曲面棱镜(2)上还设有平面衍射光栅(203),入射光线由入射狭缝(1)出射,经入瞳平面(201)入射后经准直区域(202)反射至平面衍射光栅(203),衍射分光后的光线经聚焦区域(204)反射并经出射面(205)出射,聚焦在像面(3)成像。与现有技术相比,本发明具有高性能、构型紧凑和低成本等优点。(The invention relates to an integrated micro spectrometer optical system based on a free-form surface prism, which comprises an incident slit (1), a free-form surface prism (2) and an image surface (3), wherein the free-form surface prism (2) comprises an entrance pupil plane (201), a collimation area (202), a focusing area (204) and an exit surface (205), reflectors are arranged on the collimation area (202) and the focusing area (204), a plane diffraction grating (203) is further arranged on the free-form surface prism (2), incident light rays exit from the incident slit (1), are reflected to the plane diffraction grating (203) through the collimation area (202) after entering through the entrance pupil plane (201), and are reflected through the focusing area (204) and exit through the exit surface (205), and are focused on the image surface (3) for imaging. Compared with the prior art, the invention has the advantages of high performance, compact configuration, low cost and the like.)
技术领域
本发明涉及光学系统和器件设计领域，尤其是涉及一种基于自由曲面棱镜的一体式微型光谱仪光学系统。
背景技术
二十世纪70年代开始已经出现色散型成像光谱仪器，其探测目标并能获取图像信息和光谱信息，广泛应用于遥感和勘探等科学研究，如进行矿物识别、农林监测、军事侦察、海色及大气探测等。成像光谱仪器的光学系统通常由望远物镜和光谱仪组成，其光谱探测功能的主要核心是光谱仪，便携式光谱仪优先考虑的是小巧体积和重量，而非超高的分辨率。微型光谱仪系统在航天遥感和军事侦察等军用领域有十分重要的意义，而在手持式光谱仪、手机、笔记本电脑等便携设备中具有广阔的商用前景。但是，传统的光谱仪设计采用多片组合的折射或反射结构设计，其系统体积大，机械结构设计复杂，因而不利于复杂多变的环境应用。
公开号为CN104406691A的发明专利，公开了一种基于单个自由曲面的成像光谱仪分光系统，系统由入射狭缝，自由曲面反射镜，平面闪耀光栅以及像面组成。本发明的特点在于两次使用一个非旋转对称的自由曲面反射镜分别充当准直镜和成像镜，配以高性能且加工工艺成熟的平面闪耀光栅，实现结构简单、紧凑，小像差、低畸变、高效率的光谱仪分光系统。但其光学系统仍有多部分组成需要镜片与光栅的安装与调试，并需要外部的定位结构设计。公开号为CN110470394A的发明专利，公开了一种超紧凑光谱仪光学系统，由视场光栏、光栅、复合透镜、第一反射镜、第二反射镜和滤光片组成，光学系统为折反射式，光栅为平面反射光栅，复合透镜被光线四次经过，但其本身仍是需要多片反射镜片和透镜组合调试并定位安装，其外部结构设计会比较复杂。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于自由曲面棱镜的一体式微型光谱仪光学系统，低成本、高性能且构型紧凑。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于自由曲面棱镜的一体式微型光谱仪光学系统，包括入射狭缝、自由曲面棱镜和像面，所述的自由曲面棱镜包括入瞳平面、准直区域、聚焦区域和出射面，所述的准直区域和聚焦区域上设有反射镜，所述的自由曲面棱镜上还一体化设置有平面衍射光栅，入射光线由入射狭缝出射，经入瞳平面入射后经准直区域反射至平面衍射光栅，衍射分光后的光线经聚焦区域反射并经出射面出射，聚焦在像面成像。
进一步地，所述的入瞳平面与出射面为自由曲面棱镜上的同一非旋转对称的表面，所述的表面为自由曲面或平面。
进一步地，所述的准直区域与聚焦区域为自由曲面棱镜上的同一非旋转对称的表面，所述的表面为自由曲面。
进一步地，所述的平面衍射光栅直接设计和加工在自由曲面棱镜上且与入瞳平面、出射面互不干涉。
进一步地，所述的自由曲面棱镜的基底材质为氟系玻璃、光学塑料、硒化锌或硫系材料，若光谱仪用于可见近红外波段，则自由曲面棱镜的基底材质可选用氟系玻璃或PMMA、E48R等光学塑料；若光谱仪用于短波红外波段，则自由曲面棱镜的基底材质可选用硒化锌或氟系玻璃，若光谱仪用于中长波红外波段，则自由曲面棱镜的基底材质可选用硒化锌或硫系材料。
进一步地，所述的入射狭缝的尺寸为2mm×16μm，所述的平面衍射光栅的光栅刻线密度为300line/mm。
进一步地，该光学系统的F数为5，光谱范围0.4～1μm，像元的光谱分辨率3.5nm。
与现有技术相比，本发明具有以如下有益效果：
(1)本发明通过在单个自由曲面棱镜一体化设计平面衍射光栅和反射镜，反射镜设置在自由曲面棱镜的准直区域与聚焦区域上，易于加工，结构紧凑，低成本，同时自由曲面具有足够的优化参量，易优化校正系统的轴外像差，且可适用于不同结构参数，具有小像差、低畸变和高效率的优点；
(2)本发明采用的入瞳平面与出射面为自由曲面棱镜上的同一非旋转对称的表面，该表面可设为平面或自由曲面，将准直区域与聚焦区域位于自由曲面棱镜上的同一非旋转对称的自由曲面上，相邻两面均采用同一面形，利于一体化的注塑模压成型，设计紧凑。
附图说明
图1为实施例1的光谱仪光路系统示意图；
图2为实施例2的光谱仪光路系统的示意图；
图3为实施例1中不同波长下的点列图RMS半径随视场的变化曲线；
图4为实施例1中不同视场下的点列图RMS半径随波长的变化曲线；
图5为实施例2中不同波长下的点列图RMS半径随视场的变化曲线；
图6为实施例2中不同视场下的点列图RMS半径随波长的变化曲线。
图中标号说明：
1.入射狭缝，2.自由曲面棱镜，3.像面，201.入瞳平面，202.准直区域，203.平面衍射光栅，204.聚焦区域，205.出射面。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
一种基于自由曲面棱镜的一体式微型光谱仪光学系统，如图1，包括入射狭缝1、自由曲面棱镜2和像面3，自由曲面棱镜2包括入瞳平面201、准直区域202、聚焦区域204和出射面205，准直区域202和聚焦区域204上设有反射镜，自由曲面棱镜2上还一体化设置有平面衍射光栅203，入射光线由入射狭缝1出射，经入瞳平面201入射后经准直区域202反射至平面衍射光栅203，衍射分光后的光线经聚焦区域204反射并经出射面205出射，聚焦在像面3成像。
入瞳平面201与出射面205为自由曲面棱镜2上的同一非旋转对称的平面，准直区域202与聚焦区域204为自由曲面棱镜2上的同一非旋转对称的自由曲面，平面衍射光栅203直接设计和加工在自由曲面棱镜2上且与入瞳平面201、出射面205互不干涉，自由曲面棱镜2上的自由曲面设计为易于单点金刚石车削加工的多项式形式。
自由曲面棱镜2具有设计优化变量多、结构灵活和系统高度集成的特性，将自由曲面棱镜2引入微型光谱仪光学系统可压缩光学系统的尺寸，实现微小型结构设计并可模块化生产。
光学系统的F数为5，光谱范围0.4～1μm，像元的光谱分辨率3.5nm，入射狭缝1的尺寸为2mm×16μm，光栅刻线为300line/mm，探测器像元尺寸16μm×16μm，自由曲面棱镜的基底材质为PMMA，光学系统的各个光学面的参数和间距如表1所示：
表1光谱仪光学系统参数表一
图3为光学系统在不同视场下的点列图RMS半径随波长的变化曲线，图4光学系统在不同视场下的点列图RMS半径随波长的变化曲线，该曲线展示了像面3上的不同波长的弥散斑大小分布。
实施例2
本实施例中入瞳平面201与出射面205为自由曲面棱镜2上的同一非旋转对称的自由曲面，如图2，增强了光学系统在轴外视场的像差校正能力，使系统具有更高的空间分辨率，所有波长和视场的弥散斑均接近探测器分辨的衍射极限，其它与实施例1相同，光学系统的各个光学面的参数和间距如表2所示：
图5为光学系统在不同视场下的点列图RMS半径随波长的变化曲线，图6光学系统在不同视场下的点列图RMS半径随波长的变化曲线，该曲线展示了像面3上的不同波长的弥散斑大小分布。
实施例1和实施例2提出了一种基于自由曲面棱镜的一体式微型光谱仪光学系统，一体化设计，便捷携带，可直接采用单点金刚石车削工艺加工或压模制造出自由曲面棱镜2，制造成本低，适用性好。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。